C/SiC復(fù)合材料激光超聲復(fù)合加工螺紋缺陷控制及拉伸性能分析

關(guān)鍵詞：C/SiC復(fù)合材料;激光超聲復(fù)合加工;螺紋特征;表面缺陷中圖分類號(hào)：TG62DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.009 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Thread Defects Control and Tensile Property Analysis of C/SiC Composites by L-UHM

XU Haoran1，2 WANG Jiaqi1，2 YU Zhanjiang12 XU Jinkai1，2*

1.Ministry of Education Key Laboratory for CrossScale Micro and Nano Manufacturing，Changchun University of Science and Technology，Changchun，130022

2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology， Changchun，130022

Abstract： C/SiC composites were often used to make high-temperature composite fasteners. However，in conventional machining（CM），the integrity of thread features was low，and there were micro-defects such as fiber pull-out and matrix broken on the surfaces，which made it difficult to met the requirements of a high-performance connection. L-UHM was used to carry out C/SiC composites thread feature machining herein. The variation of micro-defects on the surfaces of thread features and tensile test results in different machining methods were studied.The defects of thread features in CM， LAM（laser-assisted machining） and L-UHM and the relationship between surface micro-defects and tensile properties were revealed. The advantages of L-UHM in C/SiC composites thread feature microdefects controlling were proved. The results show that compared with CM and LAM，the fiber pullout，fiber debonding and matrix broken of the teth tops，teeth sidewalls and teeth bottoms are inhibited，the micro defects on the surfaces of thread features are reduced，and thread feature integrity is improved in L-UHM. In addition，in the tensile tests，L-UHM achieves the highest tensile strength， which is increased by 29% compare to CM and by 10% compare to LAM.

Key words： C/SiC composite; laser-ultrasonic hybrid machining（L-UHM）； thread feature； sur-face defect

0 引言

C/SiC復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫性及低密度等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為航空航天、汽車以及能源等領(lǐng)域的重要材料[1-5]。C/SiC復(fù)合材料常用于高溫復(fù)合材料緊固件，螺紋特征尺度小、加工難度大，在加工過程中面臨著許多挑戰(zhàn)。因螺紋特征復(fù)雜，故在常規(guī)加工（conventionalmachi-ning，CM）后會(huì)產(chǎn)生較多微觀缺陷（纖維拔出、纖維脫黏、基體破碎等），導(dǎo)致螺紋無法正常配合或安裝，影響零部件的性能[6。諸多學(xué)者對(duì)C/SiC復(fù)合材料螺紋特征加工進(jìn)行了研究。柳思成等[7]認(rèn)為磨削和硬質(zhì)合金攻絲分別是C/SiC緊固件外螺紋和內(nèi)螺紋的優(yōu)選加工方式。SUN等[8]研究了滲硅對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在拉應(yīng)力作用下C/C-SiC螺栓為螺柱拉伸破壞，C/C螺栓為螺紋拉脫破壞。常規(guī)加工方法加工出的螺紋特征表面微觀缺陷較多，亟需引入一種新的加工技術(shù)以滿足低損傷、低缺陷的要求，因此，探索合適的加工方法對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高一致性的C/SiC螺紋連接件具有重要意義。

激光輔助加工（laser-assistedmachining，LAM和超聲振動(dòng)輔助加工作為C/SiC復(fù)合材料加工的有效手段，能顯著提高材料的可加工性和表面質(zhì)量。PARK等9使用LAM進(jìn)行正交切削試驗(yàn)，比較了切削力。ZHOU等[10]提出了一種高效、低損傷、低磨粒磨損的激光誘導(dǎo)燒蝕輔助磨削方法并評(píng)價(jià)了磨削性能。ZHANG 等[11]提出了考慮韌脆轉(zhuǎn)變的磨削力解析模型和切削區(qū)域內(nèi)有效磨粒數(shù)量的最終模型。XIONG等[12]對(duì)超聲振動(dòng)輔助銑削-磨削SIC纖維增強(qiáng)SIC基陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了研究。WANG等[13]總結(jié)了超聲輔助磨削的經(jīng)驗(yàn)公式。WANG等[14]認(rèn)為超聲振動(dòng)可以顯著減小磨削力和粗糙度。

激光超聲復(fù)合加工（laser-ultrasonichybridmachining，L-UHM）是一種新興的高效材料加工技術(shù)，結(jié)合了激光加工和超聲加工的優(yōu)點(diǎn)，利用激光的高能量密度和超聲的振動(dòng)特性，能夠在提高表面質(zhì)量和精度的同時(shí)提高加工效率并減小刀具磨損，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精細(xì)加工。激光超聲復(fù)合加工過程中，激光束聚焦到工件的表面，通過局部加熱使材料軟化，從而減小刀具磨損、延長(zhǎng)刀具的使用壽命。通過對(duì)激光能量的精確控制，使加工過程中的熱影響區(qū)最小化，避免對(duì)工件造成熱損傷。超聲振動(dòng)被引入到刀具或工件中，通過高頻振動(dòng)產(chǎn)生微小的沖擊力，有助于減小切削力[15]李繼成等[16]開展C/SiC材料損傷機(jī)理與表面質(zhì)量研究，分析了激光超聲雙能場(chǎng)作用下C/SiC復(fù)合材料的失效機(jī)制。安慶龍等[17]提出了激光燒蝕與超聲振動(dòng)輔助銑削的組合加工工藝，該工藝可以獲得質(zhì)量更好的已加工表面。

C/SiC復(fù)合材料螺紋特征較為復(fù)雜、尺度較小，目前對(duì)螺紋特征表面微觀缺陷研究不深入，且螺紋特征與力學(xué)性能的關(guān)系不明確，因此，本文通過L-UHM切削試驗(yàn)，研究不同加工方式下螺紋特征表面微觀缺陷的變化規(guī)律和拉伸斷口形貌，揭示CM、LAM以及L-UHM下螺紋特征的斷裂形式以及表面微觀缺陷與其力學(xué)性能的關(guān)系。

1C/SiC復(fù)合材料螺紋連接件失效形式

螺紋連接因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便、成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)中，尤其是在現(xiàn)代飛行器制造與應(yīng)用中占有重要地位。C/SiC復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)包含鉚釘連接、螺釘連接、螺栓連接多種形式，一般先通過過盈配合或螺紋接觸的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連接，然后進(jìn)行二次沉積，進(jìn)而完成連接結(jié)構(gòu)的制備[18]。

螺紋連接存在著各種失效形式，主要有塑性變形失效、疲勞失效、腐蝕失效、熱脹冷縮失效和過載失效。螺栓作為連接件結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的主要受載形式為軸向力和橫向力，因此其拉伸性能是重要的考核指標(biāo)。C/SiC復(fù)合材料發(fā)生失效時(shí)，螺紋牙發(fā)生剪切失效而斷齒，但螺柱未拉斷，螺桿僅在螺牙根部的應(yīng)力集中部位有少量損傷，表明螺栓連接強(qiáng)度取決于螺紋牙強(qiáng)度。螺紋特征表面缺陷越少，螺紋特征完整性越高，則螺紋牙強(qiáng)度越高，因此，保持螺紋特征完整性極其關(guān)鍵。

螺栓連接接觸區(qū)易形成應(yīng)力集中，是結(jié)構(gòu)抵抗疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，因此，螺紋牙完整性及其可靠性是評(píng)估螺栓耐久性的關(guān)鍵。與金屬螺栓不同，C/SiC復(fù)合材料連接件由于板厚方向基體黏彈性的作用，往往更容易發(fā)生蠕變/松弛。接觸表面越粗糙，接觸剛度越小，則越容易發(fā)生接觸蠕變，預(yù)緊力也越容易松弛，因此，提高C/SiC螺紋連接件接觸表面質(zhì)量具有重要意義。

螺紋牙表面積 S（mm² ）的表達(dá)式為

式中： d，d₁ 分別為螺栓的大徑和小徑， mm ；為螺紋軸向長(zhǎng)度， mm;P 為螺距， mm 。

根據(jù)配合質(zhì)量以及材料特性，C/SiC螺栓的拉伸失效模式可分為螺柱拉斷失效和螺牙斷齒失效，如圖1所示。相應(yīng)的斷裂、剪切強(qiáng)度通過下式計(jì)算：

式中： 分別為單螺紋斷裂強(qiáng)度和螺柱斷裂強(qiáng)度，MPa;τ 為雙頭螺栓剪切強(qiáng)度， MPa;F₁，F(xiàn)₂ 分別為平均故障負(fù)載和螺栓斷裂失效載荷， N₃d₂ 為螺栓的中徑， mm 。

2試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)原材料為2.5D-針刺C/SiC棒料。試驗(yàn)在友嘉國(guó)際數(shù)控機(jī)床有限公司FTC-350L數(shù)控車床的L-UHM車削系統(tǒng)上進(jìn)行，工件通過主軸夾具定位并夾緊，通過頂針使工件穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。超聲振動(dòng)施加在刀具上，沿切削速度方向振動(dòng)。激光超聲復(fù)合切削裝置示意圖見圖2。

L-UHM模塊由換能器夾具、超聲波換能器和激光器等組成。其中，超聲波換能器頻率為18.981kHz ，阻抗為 15Ω ，額定功率為 1.5kW ，振幅為 4μm ；光纖激光器型號(hào)為YLR-300-MMWC-Y11，最高功率為30OW；使用PCD螺紋車刀。加工裝置如圖3所示。

數(shù)控車床主軸最高轉(zhuǎn)速為 4500r/min ，通過數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)螺紋車削過程。所加工的樣件尺寸如圖4所示。

C/SiC復(fù)合材料由碳纖維和陶瓷基體組成。當(dāng)對(duì)C/SiC進(jìn)行局部分析時(shí)，可以將其簡(jiǎn)化為單向結(jié)構(gòu)。根據(jù)切削方向的不同，對(duì)于C/SiC復(fù)合材料螺紋特征，在如圖5a所示的剖面1內(nèi)定義螺紋特征的平行纖維方向（圖5b）和垂直纖維方向（圖5c），在剖面2內(nèi)定義螺紋特征的纖維法向方向（圖5d）。

為了研究L-UHM對(duì)C/SiC復(fù)合材料螺紋特征加工性能的影響，對(duì)CM、LAM、L-UHM下的雙頭螺柱表面微觀缺陷進(jìn)行了對(duì)比。刀具參數(shù)如表1所示，所制備的樣件參數(shù)如表2所示，試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。分別利用CM、LAM、L-UHM方法加工了C/SiC的M8雙頭螺柱試樣，雙頭螺柱總長(zhǎng)度為 60mm ，兩端有效螺紋長(zhǎng)度為10mm 。將加工后的工件置于去離子水中利用超聲波清洗機(jī)清洗 5min ，工件在 60^°C 下干燥后，使用掃描電子顯微鏡（ZEISSEVOMA25）分別對(duì)樣品的螺紋牙頂、牙壁和牙底進(jìn)行微觀缺陷分析，所觀測(cè)螺紋特征位置如圖6所示。

3螺紋表面缺陷

3.1 螺紋牙頂表面微觀缺陷

為了評(píng)價(jià)CM、LAM、L-UHM三種加工方法對(duì)工件表面微觀缺陷的影響，利用掃描電子顯微鏡觀察了螺紋特征的微觀缺陷，結(jié)果如圖7所示。

對(duì)于螺紋特征的牙頂表面微觀缺陷，在平行纖維方向上，當(dāng)采用CM時(shí)，大量纖維從基體中拔出，在表面形成大面積孔隙。纖維在切削過程中發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致大部分與纖維結(jié)合的基體隨切屑一同排出，進(jìn)而單根纖維失去基體支撐，形成大面積的材料缺失?；w斷裂、低強(qiáng)度層斷裂、沿纖維斷裂面使加工后表面形成清晰的孔隙和裂紋[19]，如圖7a所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，纖維與基體脫黏的現(xiàn)象減少，基體破碎、斷裂現(xiàn)象減少，材料缺失面積減小，如圖7b所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，纖維周圍的基體破碎減少，纖維拔出減少，纖維與基體間的裂縫減小，整個(gè)加工表面的孔隙和表面損傷均減少，如圖7c所示。

在垂直纖維方向上，當(dāng)采用CM時(shí)，基體脫落和擠壓變形會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生孔隙和裂紋。由于纖維和基體之間的界面相固有的低抗壓強(qiáng)度，當(dāng)產(chǎn)生垂直方向的壓力和剪力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缺乏基體支撐的纖維發(fā)生彎曲和脫落，從而形成大面積孔隙，如圖7d所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，基體脫落得到改善，纖維彎曲變形和開裂得到抑制。由于激光加熱，基體和纖維在熱量的影響下都被軟化，使得斷裂強(qiáng)度降低，避免了過度應(yīng)力集中，如圖7e所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，由于激光加熱和高頻超聲振動(dòng)的作用，實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的斷續(xù)切削，有效地抑制了裂紋擴(kuò)展，減少了對(duì)基體的損傷，基體破碎減少，如圖7f所示。

在纖維法向上，當(dāng)采用CM時(shí)，由于螺紋車刀的前刀面對(duì)材料的擠壓作用，纖維與基體之間的界面層被破壞，纖維發(fā)生彎曲變形和開裂，從而發(fā)生纖維損傷，纖維與基體分離導(dǎo)致纖維脫黏，纖維從基體上被剝離去除，在纖維被剝離去除過程中發(fā)生應(yīng)力集中和基體破碎，破碎后的基體隨切屑排出，產(chǎn)生大面積孔隙，如圖 7g 所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，基體破碎減少，材料缺失面積減小，激光的反復(fù)加熱使基體熔化，進(jìn)而使纖維裸露，產(chǎn)生損傷的纖維在切削過程中發(fā)生彎曲變形和折斷，纖維失去基體的支撐，在纖維周圍產(chǎn)生孔隙，如圖7h所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，基體相對(duì)完好，在激光加熱軟化基礎(chǔ)上，施加超聲振動(dòng)使纖維快速剝離，以微脆去除為主，進(jìn)一步減小應(yīng)力集中，基體破碎減少，有少量小面積孔隙，如圖7i所示。

3.2 螺紋牙壁表面微觀缺陷

螺紋特征的牙壁表面微觀缺陷如圖8所示。在平行纖維方向上，當(dāng)采用CM中，由于牙壁是曲面，牙壁表面上的纖維不在同一平面內(nèi)。纖維受到擠壓應(yīng)力的作用，且纖維和基體的抗壓強(qiáng)度大于界面相的抗壓強(qiáng)度，在切削過程中纖維和基體之間的界面相更容易被破壞，因此有大量纖維脫黏、纖維拔出以及基體破碎，大量單根纖維裸露在外，如圖8a所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，由于激光對(duì)纖維和基體施加熱量，使其更容易被去除，纖維裸露現(xiàn)象減少但依舊存在，基體破碎和纖維拔出現(xiàn)象得到抑制，如圖8b所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，加工后表面纖維斷口趨于整齊，纖維周圍的基體完整性提高，在加工表面上分布的空隙和基體破碎減少，纖維在激光作用下被軟化，減小了彎曲變形的程度，進(jìn)而在超聲振動(dòng)作用下被去除，纖維在達(dá)到極限強(qiáng)度之前以剪切和微脆斷裂混合形式被去除，使界面相的損傷減小，同時(shí)減小了對(duì)基體的破壞，如圖8c所示。

在纖維垂直方向上，當(dāng)采用CM時(shí)，由于纖維與基體結(jié)合的界面相強(qiáng)度大小不一致，當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度低的界面相與纖維束分離時(shí)，纖維發(fā)生彎曲變形并折斷，基體發(fā)生斷裂，進(jìn)而形成沿纖維束方向的孔隙，以及纖維束從基體拔出所形成的孔隙，如圖8d所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，孔隙和基體脫落減少，這是因?yàn)榧す鈱?duì)材料反復(fù)加熱，使界面相強(qiáng)度降低，基體更容易與纖維分離而被去除，如圖8e所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，纖維斷口趨于平整，僅有少量由于纖維拔出以及界面脫黏而形成的孔隙，如圖8f所示。

在纖維法向上，當(dāng)采用CM時(shí)，已加工表面分布著因纖維拔出產(chǎn)生的空隙、基體破碎現(xiàn)象、因脆性和彎曲斷裂產(chǎn)生的纖維斷口形貌、擠壓應(yīng)力作用引起的纖維彎曲和開裂，以及基體破碎后產(chǎn)生的孔隙，如圖8g所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，可以看到大量纖維裸露以及纖維彎曲甚至折斷，纖維拔出形成的孔隙減少但依舊存在，如圖8h所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，纖維斷口趨于平整，空隙和基體損傷進(jìn)一步減小，如圖8i所示。

3.3 螺紋牙底表面微觀缺陷

螺紋特征的牙底表面微觀缺陷如圖9所示。在平行纖維方向上，當(dāng)采用CM時(shí)，由于牙底為螺旋曲面，牙底表面上的纖維不在同一平面內(nèi)，在加工過程中易出現(xiàn)大量纖維脫黏、纖維拔出和基體破碎的現(xiàn)象。加工過程中的軸向壓縮導(dǎo)致纖維局部發(fā)生開裂，同時(shí)，由于纖維彎曲變形，應(yīng)力過度集中，使切削過程中直接產(chǎn)生裂紋而不發(fā)生塑性變形，基體呈塊狀從纖維表面剝離，出現(xiàn)大量材料缺失，從而產(chǎn)生沿纖維方向的狹長(zhǎng)的凹坑和裂縫，如圖9a所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，纖維拔出以及基體破碎減少，但仍存在由于纖維脫黏和基體破碎產(chǎn)生的孔隙，如圖9b所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，基體和纖維完整性提高，纖維以及基體破碎得到改善，可以觀察到纖維呈規(guī)律的階梯分布，如圖9c所示。

在纖維垂直方向上，當(dāng)采用CM時(shí)，由于纖維與基體結(jié)合的界面相強(qiáng)度大小不一致，在切削過程中結(jié)合強(qiáng)度低的界面相與纖維束分離，形成沿纖維束方向的孔隙，以及大量纖維從基體拔出所形成的孔隙，纖維缺少基體的支撐，導(dǎo)致應(yīng)力集中，纖維斷裂位置參差不齊，如圖9d所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，基體破碎減少，纖維脫黏減少，如圖9e所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，牙底纖維斷口整體呈橫置的

V形，纖維和基體完整性顯著提高，纖維斷口趨于平整，基體破碎顯著減少，如圖9f所示。

在纖維法向上，當(dāng)采用CM時(shí)，已加工表面存在由于纖維拔出和基體破碎產(chǎn)生的空隙，存在基體破碎現(xiàn)象，從而出現(xiàn)大量纖維裸露，如圖 9g 所示。當(dāng)采用LAM時(shí)，與CM相比，纖維拔出形成的孔隙減少，基體破碎現(xiàn)象減少，如圖9h所示。當(dāng)采用L-UHM時(shí)，與CM和LAM相比，在激光加熱和超聲振動(dòng)的作用下，應(yīng)力集中減小，基體破碎減少，纖維斷口趨于平整，基體損傷減少，產(chǎn)生的空隙減小，如圖9i所示。

4螺栓的拉伸性能

4.1位移-抗拉強(qiáng)度曲線

將C/SiC復(fù)合材料加工成M8雙頭螺柱，螺紋長(zhǎng)度為 10mm ，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，螺紋拉伸強(qiáng)度測(cè)試?yán)焖俣葹?0.5mm/min 。

當(dāng)采用CM時(shí)，螺紋牙表面有大量纖維拔出和基體缺失，導(dǎo)致螺紋牙表面材料缺失，在拉伸過程中導(dǎo)致螺紋牙應(yīng)力集中，纖維更容易斷裂，螺紋特征表面缺陷多，導(dǎo)致C/SiC螺紋牙承載能力下降。與CM相比，采用L-UHM時(shí)的螺紋牙表面完整度提高，纖維和基體更加完整，使得C/SiC螺栓螺牙與螺母螺牙接觸面積增大，螺牙受力更加均勻，所以L-UHM下的抗拉強(qiáng)度比CM下的高。

拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式為

σ_b=F/s

式中： σ_b 為材料的抗拉強(qiáng)度， MPa;F 為材料試件受到的最大軸向拉力值， N;s 為材料試件受拉截面的面積，即以螺栓中徑計(jì)算出的面積， mm² 。

采用CM、LAM以及L-UHM時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為 16.42MPa，19.13MPa 和 21.22MPa ，如表4所示。

位移-抗拉強(qiáng)度曲線如圖10所示。對(duì)比三組試驗(yàn)的位移-抗拉強(qiáng)度的斜率，從大到小的順序?yàn)長(zhǎng)AM、L-UHM、CM。這是因?yàn)椴捎肔-UHM和LAM時(shí)，C/SiC經(jīng)過激光加熱，使得切削溫度升高，基體熔化后填補(bǔ)了材料內(nèi)部的孔隙[20]。如圖7～ 圖9所示，采用LAM和L-UHM時(shí)，C/SiC表面孔隙數(shù)量減少且面積減小，使材料彈性模量增大，進(jìn)而使得其抗拉強(qiáng)度增大[21]，故LAM和L-UHM的斜率大于CM的斜率。

在拉伸初始階段，LAM和L-UHM與CM相比，雙頭螺柱在被拉伸單位長(zhǎng)度時(shí)能承受更大的力，說明它具有更高的彈性模量，能夠較為有效地抵抗形變?？紫兜拇笮『褪杳艹潭炔煌瑢?dǎo)致不同的斜率。在拉伸中間階段，三種方式下加工的螺紋特征分別達(dá)到其最大抗拉強(qiáng)度，隨后由于螺紋牙不同時(shí)斷裂而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。在拉伸結(jié)束階段，三種加工方式下的位移-抗拉強(qiáng)度斜率趨于一致，說明加載的拉力主要由纖維承擔(dān)，且纖維的抗拉強(qiáng)度基本一致。由于L-UHM刀具在超聲振動(dòng)的作用下實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削，縮短了刀具和工件的接觸時(shí)間，從而降低了切削溫度[16]，基體熔化程度較LAM小，材料彈性模量較LAM小，所以LAM的斜率大于L-UHM的斜率。

牙頂表面若有明顯的缺陷或不平整區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而加速材料疲勞或引發(fā)斷裂。牙壁將外部載荷傳遞到螺紋接觸面，如果牙壁表面存在較多缺陷，會(huì)導(dǎo)致接觸不均勻，負(fù)載傳遞不連貫，從而影響螺紋特征的整體強(qiáng)度。牙底通常不會(huì)直接承受較大的外力，但在受力過程中仍然受到壓縮和剪切作用，如果牙底表面存在較多缺陷，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而加速斷裂或疲勞破壞[22]。如圖 7～ 圖9所示，與LAM和CM相比，當(dāng)采用L-UHM時(shí)，螺紋特征在牙頂、牙壁和牙底表面上的孔隙減少，纖維拔出、纖維脫黏和基體破碎現(xiàn)象得到抑制，有更少的表面缺陷。

采用L-UHM時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度大于采用CM和LAM時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度，最大抗拉強(qiáng)度較CM提高了 29% ，較LAM提高了 10% ，說明L-UHM提高了螺牙的最大承載能力。

4.2 螺牙剝離斷口形貌

螺牙剝離斷口形貌如圖11所示。由于C／SiC復(fù)合材料C纖維束層間的間隙以及C纖維束與短纖維層間的間隙較大，因此C纖維束層間界面結(jié)合較弱。C/SiC復(fù)合材料的抗拉性能依賴于纖維與基體之間的結(jié)合。韌性斷裂通常表現(xiàn)為界面處的破壞，即纖維與基體之間的結(jié)合失效，從采用CM時(shí)的拉伸斷口處可以觀察到纖維束之間存在較大孔隙，而采用LAM時(shí)的拉伸斷口處孔隙較小，因此CM試樣更容易發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致界面相被破壞。

采用CM時(shí)，拉伸斷口出現(xiàn)由纖維束和基體組成的臺(tái)階以及纖維束撕裂的現(xiàn)象，觀察到以脆性斷裂為主、韌性斷裂為輔的混合斷裂特征。采用LAM和L-UHM時(shí)，C/SiC復(fù)合材料經(jīng)激光加熱后，可以一定程度上提高螺紋牙的抗拉強(qiáng)度。相比于采用CM時(shí)的斷口形貌，采用LAM和L-UHM時(shí)的拉伸斷口中無解離臺(tái)階，表現(xiàn)出韌性斷裂特征，即界面剝離和脫層具有更好的拉伸性能，如圖11a～圖11c所示。同時(shí)，纖維束與短纖維層之間存在較多孔隙，導(dǎo)致在拉伸試驗(yàn)中螺牙易在纖維束與短纖維層交界處被破壞，如圖11d～圖11f所示。

加工后表面涂覆如圖12所示，可以看出，采用LAM和L-UHM時(shí)，激光輻照在SiC基體表面時(shí)，激光能量被SiC吸收，導(dǎo)致SiC基體局部區(qū)域溫度升高至其熔點(diǎn)以上，SiC基體被加熱熔化，熔融的SiC物質(zhì)能夠滲透到這些孔隙中，填補(bǔ) C/ SiC復(fù)合材料中的孔隙，使纖維與基體的結(jié)合更加緊密，增加了C/SiC復(fù)合材料的致密度，提高了應(yīng)力傳遞效率，螺牙在受力時(shí)的應(yīng)力分布更加均勻，減小了由于內(nèi)部微觀缺陷引起的局部應(yīng)力集中。

5結(jié)論

1）激光超聲復(fù)合加工（L-UHM）試驗(yàn)中，在牙頂、牙壁和牙底表面上，孔隙減少，纖維拔出、纖維脫黏和基體破碎現(xiàn)象得到抑制。此外，在牙壁和牙底的平行纖維方向上，纖維呈規(guī)律的階梯狀分布。

2）雙頭螺柱拉伸試驗(yàn)中，采用L-UHM時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度高于常規(guī)加工（CM）和激光輔助加工（LAM）時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度，較CM提高了29% ，較LAM提高了 10% 。

3）相較于CM、LAM，采用L-UHM時(shí)的螺紋特征微觀缺陷減少，完整性更好，加強(qiáng)了纖維與基體之間的黏結(jié)性，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得力學(xué)性能更優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬雪寒，王守財(cái)，陳旭，等.陶瓷基復(fù)合材料緊固件 制造技術(shù)及其連接性能研究進(jìn)展［J].復(fù)合材料學(xué) 報(bào)，2023（40）：3075-3089. MAXuehan，WANG Shoucai，CHENXu，etal. Review of Preparation Processes and Joining Performance of Ceramic Matrix Composite Fasteners [J].Acta Materiae Compositae Sinica，2023（40）： 3075-3089.

[2] ERDENECHIMEGK，JEONG HI，LEECM.A Study on the Laser-assisted Machining of Carbon Fiber Reinforced Silicon Carbide[J].Materials， 2019（12）：2061.

[3] WANG Jing，CHEN Xu，CHENG Laifei，et al. Effects of Channel Modification on Microstructure and Mechanical Properties of C/SiC Composites Prepared by LA-CVI Process[J].Ceramics International，2018，44：16414-16420.

[4]QI Yuchao， FANG Guodong，WANG Zhangwen， et al.An Improved Analytical Method for Calculating Stiffness of 3D Needled Composites with Different Needle-punched Processes[J]. Composite Structures，2020，237：111938.

[5］ZHANG Yunhai，LIU Yongsheng，CAO Liyang， et al. Preparation and Analysis of Micro-holes in C/ SiC Composites and Ablation with a Continuous Wave Laser[J]. Journal of the European Ceramic Society，2021，41：176-184.

[6]GAVALDA D O，LUNA G G，LIAO Z， et al. The New Challenges of Machining Ceramic Matrix Composites（CMCs）：Review of Surface Integrity[J]. International Journal of Machine Tools amp;. Manufacture，2019，139：24-36.

[7]柳思成，李文生，侯安印，等.小規(guī)格C/SiC 復(fù)合材 料緊固件加工及力學(xué)性能研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā) 與創(chuàng)新，2021（6）：134-137. LIU Sicheng，LI Wensheng，HOU Anyin，et al. Study on the Processing Method and Mechanical Properties of the Small-size C/SiC Composite Fasteners[J]. Development amp;. Innovation of Machinery amp; Electrical Products， 2021（6）：134-137.

[8］SUN Guodong，TAN Zhiqiang，ZHANG Qing，et al.Influence of Si and SiC Coating on the Microstructures and Mechanical Properties of C/C Bolts [J].Materials，2023（16）：1785.

[9]PARK C I，WEI Y，HASSANI M，et al. Low Power Direct Laser-assisted Machining of Carbon Fibre-reinforced Polymer [J]. Manufacturing Letters，2019（22）：19-24.

[10]ZHOU Kun， XU Jiayu， XIAO Guijian，et al. A Novel Low-damage and Low-abrasive Wear Processing Method of Cf/SiC Ceramic Matrix Composites： Laser-induced Ablation-assisted Grinding [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2022，302：117503.

[11] ZHANG Menghua， XIA Ziwen， SHAN Chenwei， et al.Analytical Model of Grinding Force for Ultrasonic-assisted Grinding of Cf/SiC Composites [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2023，126：2037-2052.

[12]XIONG Yifeng，LIU Cong，WANG Wenhu，et al. Assessment of Machined Surface for SiCf/SiC Ceramic Matrix Composite during Ultrasonic Vibra tion-assisted Milling-grinding[J]. Ceramics International，2023，49：5345-5356.

[13］WANG Dongpo，F(xiàn)AN Hongjie，XU Dong，et al. Research on Grinding Force of Ultrasonic Vibration assisted Grinding of C/SiC Composite Materials [J].Applied Sciences，2022（12） ：10352.

[14]WANG Yashuai，LI Jiangtao. Experimental Study

of the Removal Characteristics of C/SiC with Differ

entriber Structure ArrangementsIor 1W0- dimensional Ultrasound-assisted Grinding[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2024，131：3467-3485.

[15]CHEN Guangjun，XU Jinkai，WANG Jingdong， et al.Numerical and Experimental Study on the Amplitude Effect of Ultrasonic Vibration-assisted Milling of 3D Needle-punched Cf/SiC Composite [J].Ceramics International，2022，48（12）：17893- 17914.

[16］李繼成，陳廣俊，許金凱，等.C/SiC 復(fù)合材料激 光超聲復(fù)合微切削材料損傷機(jī)理與表面質(zhì)量研究 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，60（9）：189-205. LI Jicheng，CHEN Guangjun，XU Jinkai，et al. Study on Material Damage Mechanism and Surface Quality of C/SiC Composites by Laser-ultrasonic Hybrid Micromachining[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2024，60（9）：189-205.

[17]安慶龍，李晗，陳杰，等.陶瓷基復(fù)合材料多能場(chǎng) 輔助高效低損傷銑削加工工藝[J].航空制造技 術(shù)，2023，66（14）：40-51. AN Qinglong，LI Han，CHEN Jie，et al. Multienergy Field Assisted High-efficiency and Low Damage Milling Process of Ceramic Matrix Composites[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2023，66（14）：40-51.

[18]胡祥龍，譚時(shí)雨，潘成，等.細(xì)編穿刺C/C-SiC 復(fù)合 材料螺栓連接件的制備和力學(xué)性能研究[J].炭素， 2023（3）：1-7. HU Xianglong，TAN Shiyu，PAN Cheng，et al. Preparation and Mechanical Properties of Finely Braided and Punctured C/C-SiC Composite Bolted Joints[J].Carbon，2023（3）：1-7.

[19]CHEN Guangjun，WANG Jiaqi， XU Jinkai，et al. Effect of Forward and Reverse Cutting on Tool Wear Behavior in Ultrasonic Vibration-assisted Milling of 3D Needle-punched C/SiC Composites [J].Wear，2024，552：205454.

［20］房金銘，袁澤帥，王俊山，等.碳纖維增強(qiáng)陶瓷基 復(fù)合材料高溫拉伸性能研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載 技術(shù)，2022（4）：77-79. FANG Jinming， YUAN Zeshuai，WANG Junshan，et al. Comparison of Tensile Behavior of Plain-woven Carbon/Silicon Carbide Composites at Room Temperature and High Temperature [J]. Journal of Aeronautical Materials，2022（4） ：77-79.

[21]LI Lihua， ZHANG Chengyu， ZHANG Chen，et al.Compressive Strength and Damage Mechanisms of 2D-C/SiC Composites at High Temperatures [J]. Ceramics International，2018，44（12）：14026- 14031.

[22] SONG Zhuoyu，XIAOKaiyin，XIAO Shijian. etal. Effect of Porosity on the Tensile Strength and Micromechanisms of Laminated Stitched C/C-SiC Composites[J].Materialsamp;.Design，2024，247：113429.

（編輯袁興玲）

作者簡(jiǎn)介;徐浩然，男，2000年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘沾苫鶑?fù)合材料切削加工技術(shù)。E-mail： xhr_email @ 163.com。

許金機(jī)\"（通信作者），男，1978年生.教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榭绯叨任⒓{機(jī)械制造技術(shù)，功能表面微納制造技術(shù)，跨尺度微納特種加工技術(shù)。E-mail：xujinkai2000@163.com.

本文引用格式：

徐浩然，王佳琦，于占江，等.C/SiC復(fù)合材料激光超聲復(fù)合切削螺紋缺陷控制及拉伸性能分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2025，36（4）;724-731.

XU Haoran， WANG Jiaqi，YU Zhanjiang， et al， Thread Defects Control and Tensile Property Analysis of C/SiC Composites by L. UHM[J]. China Mechanical Engineering，2025，36（4）：724-731.